興安直流興側(cè)接地極引線融冰情況分析及可行性建議

楊明權(quán)，楊躍輝，雷鳴東

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 天生橋局，貴州 興義 562400)

在高寒地區(qū)高壓直流輸電系統(tǒng)的接地極引線會(huì)因覆冰而斷線，導(dǎo)致了直流輸電系統(tǒng)單級(jí)或雙極停運(yùn)，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)了不小的影響［1］。因此，本文結(jié)合興安直流興側(cè)接地極引線近幾年的融冰情況，將理論融冰計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，提出了實(shí)際工程中廣泛使用的接地極融冰方案及可行性建議。

1 興安直流興側(cè)接地極線路設(shè)計(jì)參數(shù)及融冰的必要性

1．1 興安直流興側(cè)接地極線路設(shè)計(jì)參數(shù)

興安直流接地極位于貴州省安順市關(guān)嶺布依族苗族自治縣永寧鎮(zhèn)西北周家寨，從興仁換流站到永寧接地極采用二分裂2×2×LGJ－630/55型鋼芯鋁絞線架空線路，線路全長(zhǎng)76．745 km，線路設(shè)計(jì)覆冰厚度10 mm，共196座鐵塔，其中耐張塔44座。由于線路穿過(guò)高海拔低溫區(qū)域，冬季95號(hào)至196號(hào)塔均有覆冰情況存在，最大覆冰厚度為9 mm。按照南方電網(wǎng)《超高壓輸電公司融冰工作管理規(guī)定》設(shè)計(jì)覆冰厚度10 mm線路，超過(guò)設(shè)計(jì)覆冰厚度40%的進(jìn)入三級(jí)警戒，即可申請(qǐng)融冰作業(yè)。

1．2 興安直流興側(cè)接地極線路融冰的必要性

接地線路覆冰可以引起導(dǎo)線舞動(dòng)、桿塔傾斜、倒塌、斷線及絕緣子閃絡(luò)。對(duì)于興安直流線路來(lái)說(shuō)，因直流運(yùn)行方式的不同及接地線路斷線、倒塔，運(yùn)行方式將會(huì)出現(xiàn)3種不同情況。

1．2．1 直流線路運(yùn)行于雙極方式(BP)

當(dāng)直流線路運(yùn)行于雙極方式(BP)時(shí)，若興側(cè)接地極引線出現(xiàn)斷線或倒塔的情況，則興安直流線路此時(shí)運(yùn)行方式將會(huì)變?yōu)殡p極一端中性點(diǎn)接地的方式運(yùn)行，當(dāng)一極線路發(fā)生故障退出工作時(shí)，必須停運(yùn)整個(gè)雙極系統(tǒng)，沒(méi)有單極運(yùn)行的可能性;一極換流器發(fā)生故障時(shí)，也不會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為單級(jí)大地回線方式運(yùn)行，只能在雙極停運(yùn)后配置為單級(jí)金屬回線方式后才可恢復(fù)運(yùn)行，這樣降低了直流線路運(yùn)行的可靠性，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定也有較嚴(yán)重的危害。

1．2．2 直流線路運(yùn)行于單級(jí)大地回線方式(GR)

在直流線路運(yùn)行于單級(jí)大地回線方式(GR)時(shí)，若興側(cè)接地極引線出現(xiàn)斷線或倒塔的情況，則直流系統(tǒng)將失去大地回路，造成直流系統(tǒng)閉鎖。

1．2．3 直流線路運(yùn)行于單級(jí)金屬回線方式(MR)

在直流線路運(yùn)行于單級(jí)金屬回線方式(MR)時(shí)，若興側(cè)接地極引線出現(xiàn)斷線或倒塔的情況，則直流系統(tǒng)運(yùn)行將不會(huì)受到影響，但直流系統(tǒng)只能保持此種方式運(yùn)行，不能進(jìn)行其余運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換，影響直流運(yùn)行的靈活性。

綜上所述，在興安直流線路運(yùn)行時(shí)，興側(cè)接地極引線因覆冰出現(xiàn)斷線或倒塔，對(duì)興安直流安全穩(wěn)定運(yùn)行危害極大。所以，在興側(cè)接地極引線出現(xiàn)覆冰時(shí)，對(duì)其進(jìn)行融冰是必要的。

2 興安直流興側(cè)接地極線路融冰情況

從2010年1月至2013年3月，對(duì)興安直流興側(cè)接地極線路用不同方式開(kāi)展了5次融冰工作，融冰記錄如表1所示。

2．1 2013年1月7日1時(shí)32分至3時(shí)30分融冰情況

2013年1月6日至7日，興仁地區(qū)和關(guān)嶺地區(qū)均為凍雨天氣，最低溫度為－2℃，東北風(fēng)1級(jí)(0．3～1．5 m/s)。巡線人員對(duì)興安直流興側(cè)接地極引線進(jìn)行抗冰保電特巡，發(fā)現(xiàn)172號(hào)塔處有線路覆冰現(xiàn)象，線路覆冰厚度為4 mm。興仁換流站按規(guī)定向南方電網(wǎng)電力調(diào)度通信中心(以下簡(jiǎn)稱總調(diào))報(bào)送接地極引線融冰搶修申請(qǐng)(申請(qǐng)要求:興安直流接地極流過(guò)電流不小于 1100 A，持續(xù)時(shí)間不小于1 h)。融冰作業(yè)于7日1時(shí)25分開(kāi)始，雙極功率為1760 MW，興安直流－500 kV極2由定功率模式運(yùn)行改為定電流模式，電流參考值為1210 A，變化率為100 A/min。5 min 30 s以后，－500 kV極2電流調(diào)整至1210 A，此時(shí)興安直流接地極線路電流由0 A上升至1100 A，通知現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)線路進(jìn)行觀察。在融冰進(jìn)行1 h后，即2時(shí)30分，現(xiàn)場(chǎng)線路人員報(bào)告，線路覆冰無(wú)明顯融化現(xiàn)象。2時(shí)37分，總調(diào)下令－500 kV極2電流參考值調(diào)整為1010 A，變化率為100 A/min。2時(shí)40分，－500 kV極2電流開(kāi)始調(diào)整2 min后電流下降至1010 A，接地極通過(guò)電流為1500 A。融冰持續(xù)至3時(shí)30分，直流恢復(fù)雙極運(yùn)行，線路覆冰情況未見(jiàn)明顯變化。

2．2 2013年1月7日17時(shí)32分至19時(shí)30分融冰情況

2013年1月7日，興仁地區(qū)和關(guān)嶺地區(qū)保持凍雨天氣，局部溫度低于－3℃，東南風(fēng)2級(jí)(1.6～3.3 m/s)。巡線人員對(duì)興安直流興側(cè)接地極進(jìn)行抗冰保電特巡。因?yàn)?日凌晨對(duì)接地極線路的融冰效果不明顯，巡線人員繼續(xù)對(duì)接地極引線172號(hào)塔前后線路加強(qiáng)監(jiān)視。在天氣繼續(xù)惡化的情況下，日間覆冰厚度繼續(xù)增加，接近達(dá)到4．5 mm。興仁換流站向總調(diào)報(bào)送接地極引線融冰搶修申請(qǐng)(申請(qǐng)要求:興安直流接地極流過(guò)電流不小于1960 A，持續(xù)時(shí)間不小于1 h)。融冰作業(yè)于7日18時(shí)30分開(kāi)始，雙極直流功率為2400 MW，將+500 kV極1由定功率模式設(shè)為定電流模式，并將電流參考值設(shè)為3000 A，變化率為100 A/min。當(dāng)+500 kV極1電流升高到3000 A后，興安直流接地極線路電流為1200 A，保持2 h。19時(shí)30分結(jié)束融冰作業(yè)，線路覆冰情況未見(jiàn)明顯變化。

表1 2010年1月至2013年3月興安直流興側(cè)接地極融冰記錄Tab．1 2010 January to 2013 March Xingan DC system Xing side grounding electrode melting ice records

2．3 2013年1月9日0時(shí)40分至2時(shí)40分融冰情況

2013年1月8日，興仁地區(qū)和關(guān)嶺地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)2日凍雨天氣，局部溫度低于－3℃，東北風(fēng)3級(jí)(3．4～5．4 m/s)。巡線人員對(duì)興安直流興側(cè)接地極進(jìn)行抗冰保電特巡。因?yàn)檫B續(xù)數(shù)天出現(xiàn)凍雨天氣，安直流興側(cè)接地極線路覆冰最大值達(dá)到7 mm。根據(jù)《南方電網(wǎng)超高壓輸電公司融冰工作管理規(guī)定》，進(jìn)入防冰二級(jí)警戒，申請(qǐng)融冰(申請(qǐng)要求:興安直流接地極流過(guò)電流不小于2400 A，持續(xù)時(shí)間不小于1 h)。融冰作業(yè)從9日0時(shí)38分開(kāi)始，雙極直流功率為 1200 MW，興安直流閉鎖 +500 kV極1，－500 kV極2轉(zhuǎn)為單極大地回線方式運(yùn)行，此時(shí)接地極線路上流過(guò)的電流為2400 A。1時(shí)30分，接地極線路有少量覆冰融化，為了加大融冰電流，2時(shí)0分將－500 kV極2功率調(diào)整為1350 MW，此時(shí)接地極線路上電流為2700 A，持續(xù)30 min。2時(shí)30分解鎖+500 kV極1，恢復(fù)興安直流雙極運(yùn)行，接地極線路覆冰情況有較明顯變化，部分覆冰已脫落。

3 接地極線路融冰可以選擇的方法

直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行特性決定接地極引線融冰方案可有多種選擇。在直流接線方式的選擇上有雙極不平衡運(yùn)行方式和單極大地回線方式，在融冰電流極性的選擇上有正電流入地和負(fù)電流入地，融冰的時(shí)間和融冰電流的大小也可靈活選擇。

3．1 直流接線方式的選擇

對(duì)直流接地極線路融冰時(shí)，可以選擇的直流運(yùn)行方式有兩種，一種是雙極不平衡運(yùn)行方式，另一種是單級(jí)大地回線方式。興仁站接地極線路融冰時(shí)對(duì)兩種直流接線方式都使用過(guò)，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

3．1．1 使用雙極不平衡電流融冰優(yōu)缺點(diǎn)

直流系統(tǒng)在使用雙極不平衡電流融冰時(shí)，接線方式如圖1所示。

使用雙極不平衡電流融冰優(yōu)點(diǎn):1)可靠性相對(duì)單級(jí)大地回線方式較高，在不平衡運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)接地極斷線的情況時(shí)，保護(hù)會(huì)請(qǐng)求雙極平衡運(yùn)行，恢復(fù)雙極平衡運(yùn)行;2)不限制直流的可用功率;3)可以不改變直流線路的接線方式，操作上較方便，恢復(fù)雙極正常運(yùn)行時(shí)需要時(shí)間較短。

使用雙極不平衡電流融冰缺點(diǎn):1)在雙極功率相差過(guò)大時(shí)，如果出現(xiàn)接地極斷線，由于換流變不能快速調(diào)整檔位和極控系統(tǒng)對(duì)功率調(diào)整速度的限制，直流系統(tǒng)不能快速地恢復(fù)雙極平衡運(yùn)行，則保護(hù)動(dòng)作造成雙極直流閉鎖;2)最大融冰電流小于單級(jí)大地回線方式下的融冰電流，融冰電流在正常運(yùn)行(一級(jí)為1500 MW、另一級(jí)為150 MW)時(shí)接地極最大電流為2700 A，單級(jí)大地回線方式下的電流為3000 A;3)出現(xiàn)雙極閉鎖時(shí)，丟失的功率較多，對(duì)系統(tǒng)的沖擊較大。

3．1．2 使用單級(jí)大地回線方式(GR)融冰的優(yōu)缺點(diǎn)

直流系統(tǒng)在使用單級(jí)大地回線方式(GR)融冰時(shí)，接線方式如圖2所示。

使用單級(jí)大地回線方式(GR)融冰的優(yōu)點(diǎn):

1)可以提供最大的接地極引線融冰電流，1．2倍過(guò)負(fù)荷時(shí)最大值為3600 A;2)融冰過(guò)程中傳輸?shù)娜萘枯^小，如出現(xiàn)單級(jí)閉鎖，對(duì)系統(tǒng)的沖擊較小。

使用單級(jí)大地回線方式(GR)融冰的缺點(diǎn):

1)可靠性相對(duì)雙極不平衡運(yùn)行方式較低，出現(xiàn)接地極線路斷線時(shí)，直流系統(tǒng)會(huì)立即閉鎖;2)直流輸送功率受限，正常最大值為1500 MW;3)對(duì)直流的運(yùn)行方式需要作出改變，若備用極狀態(tài)需要轉(zhuǎn)到閉鎖以下，需要改變一次設(shè)備狀態(tài)，操作較復(fù)雜;4)入地電流過(guò)大會(huì)引起沿線地下管道腐蝕及接地變壓器直流偏磁加大［2］。

圖2 直流系統(tǒng)單級(jí)大地回線方式接線圖Fig．2 Single level ground return mode of DC system wiring diagram

3．2 融冰電流極性的選擇

在對(duì)直流接地極進(jìn)行融冰時(shí)，可以選擇正極或負(fù)極對(duì)接地極引線進(jìn)行融冰。因?yàn)檎?fù)入地電流對(duì)線路沿線的干擾和線路的安全可靠率的影響不同，所以必須做出合理選擇。

正極導(dǎo)線的電暈電磁干擾和可聽(tīng)噪聲均比負(fù)極導(dǎo)線的大，雷電大多數(shù)為負(fù)極性，正極導(dǎo)線的雷電閃絡(luò)的概率比負(fù)極導(dǎo)線的高，所以，在使用單級(jí)大地回線運(yùn)行時(shí)，多數(shù)選用負(fù)極性接線方式［1］。

3．3 融冰電流大小的選擇

融冰電流大小與環(huán)境溫度、風(fēng)速、覆冰厚度、覆冰類型、融冰時(shí)間等因素相關(guān)，各項(xiàng)因素對(duì)融冰電流的選擇影響很大，特別是線路覆冰類型對(duì)融冰電流的影響更為突出。

3．3．1 線路熱效應(yīng)對(duì)融冰的影響

理論研究表明，從信息經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，基礎(chǔ)層、傳輸層、融合層、新生層及福利層的信息經(jīng)濟(jì)遵循時(shí)間上的不斷遞進(jìn)、空間上的不斷擴(kuò)散及程度上的不斷深化的關(guān)系，下層是上層的基礎(chǔ)，而上層又反過(guò)來(lái)促進(jìn)下層的進(jìn)一步發(fā)展。本文測(cè)算了基于西部各省區(qū)信息經(jīng)濟(jì)發(fā)展層次指數(shù)的相關(guān)系數(shù)矩陣，結(jié)果表明，信息經(jīng)濟(jì)各層次之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。

直流融冰的熱平衡包含兩個(gè)過(guò)程:1)導(dǎo)線和冰交界面的熱平衡;2)冰和空氣交界面的熱平衡。直流融冰達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，導(dǎo)線產(chǎn)生熱與融冰吸收的熱及冰表面因輻射散熱、對(duì)流傳熱損失的熱相等［3］。融冰電流的計(jì)算較為復(fù)雜，下面只介紹保險(xiǎn)電流和融冰電流基本經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。保險(xiǎn)電流為保持導(dǎo)線溫度在冰點(diǎn)以上，使導(dǎo)線不覆冰所需最小電流，保險(xiǎn)電流通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量與對(duì)流、輻射散熱消耗熱量平衡，其計(jì)算公式為［4］

式中:Ib為保線電流，A;R0為氣溫在0℃時(shí)單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的電阻，Ω/m;t1為導(dǎo)線溫度(保證導(dǎo)線不結(jié)冰的溫度，一般取t1=2℃);t2為結(jié)冰時(shí)外界溫度，一般取t2=－3℃或 －5℃;∑d為輻射系數(shù)(冰0．64，霜 0．32 ，銅 0．6，鋁 0．11，鐵 0．25);D為導(dǎo)體的外徑，cm;V為風(fēng)速，m/s。

融冰電流為導(dǎo)線上覆冰融化的電流，在導(dǎo)線電阻中產(chǎn)生的熱量一部分使冰柱的溫度上升至融點(diǎn)，另一部分使冰柱融化;一部分損失從導(dǎo)線表面到冰柱表面的傳遞途中，另一部分通過(guò)冰柱表面散失。線路融冰電流經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為［5］

對(duì)于雨淞:

對(duì)于霧淞:

式中:Ir為融冰電流，A;R0為0℃時(shí)的導(dǎo)線電阻，Ω/m;Tr為融冰時(shí)間，h;Δt為導(dǎo)體溫度與外界氣溫之差，K;g0為冰的比重(一般按雨淞取0．9);b為冰層厚度，即覆冰每邊冰厚，cm;D為導(dǎo)體覆冰后的外徑，cm;RT0為等效冰層傳導(dǎo)熱阻，K·cm/W;d為導(dǎo)線直徑，cm;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/cm·K，雨淞 λ=2.27×10－2，霧淞λ =0．12×10－2;RT為對(duì)流及輻射等效熱阻，K·cm/W。

根據(jù)式(1)、式(2)算出一個(gè)興安直流接地極線路在雨凇情況下的最小融冰電流和保險(xiǎn)電流，如表2所示。

由表2中的計(jì)算結(jié)果可知，興安直流在1．2倍長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷能力下，接地極電流為3600 A時(shí)，只能進(jìn)行－5℃、5 m/s風(fēng)速和－3℃、3 m/s風(fēng)速下的保險(xiǎn)作業(yè)。

表2 興安直流接地極線路雨凇情況下1 h融冰保線電流Tab．2 Xingan DC grounding line glaze case 1 h ice melting and line current

3．3．2 現(xiàn)場(chǎng)覆冰情況對(duì)融冰的影響

根據(jù)《南方電網(wǎng)融冰技術(shù)規(guī)程編寫導(dǎo)則》對(duì)融冰電流的靈敏度分析的敘述，可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況及1h融冰保線電流數(shù)據(jù)，得出所需融冰電流實(shí)際大小。覆冰厚度每增加5 mm，則融冰電流需要增加80～110 A;環(huán)境溫度每下降2℃，則線路融冰電流需要增加90～100 A;風(fēng)速，有風(fēng)速(2 m/s)與無(wú)風(fēng)條件下融冰電流差別很大，基本上要相差100 A左右，但風(fēng)速大于4 m/s，對(duì)融冰電流的影響趨緩，風(fēng)速每增大2 m/s則融冰電流增大20～40 A;以2 h融冰時(shí)間對(duì)應(yīng)的融冰電流為基準(zhǔn)，融冰時(shí)間縮短到1．5 h的融冰電流需要增加30～50 A，融冰時(shí)間縮短到1h的融冰電流需要增加90～150 A，融冰時(shí)間縮短到0．5 h的融冰電流需要增加300～400 A。

從興安直流興側(cè)接地極引線現(xiàn)場(chǎng)情況看，覆冰在混合凇和雨凇之間，風(fēng)速小于3 m/s，融冰在線路覆冰達(dá)到設(shè)計(jì)覆冰厚度40%(4 mm)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行2 h的融冰作業(yè)。根據(jù)上述現(xiàn)場(chǎng)融冰電流判斷方法和3．3．1介紹的經(jīng)驗(yàn)公式，得出覆冰(雨凇)厚度為5 mm、融冰2 h時(shí)幾種天氣情況下的實(shí)際融冰電流，如表3所示。

表3 興安直流接地極線路雨凇情況下2 h融冰電流(覆冰厚度5 mm)Tab．3 Xingan DC grounding line glaze case 2 h ice melting current(ice thickness 5 mm)

從表3可以看出，興安直流在長(zhǎng)期1．2倍過(guò)負(fù)荷(1800 MW)、接地極電流3600 A條件下，滿足風(fēng)速3 m/s、氣溫－3℃和風(fēng)速3 m/s、氣溫－5℃時(shí)興側(cè)接地極引線雨凇融冰條件。

4 結(jié)論

1)興安直流興側(cè)接地極引線具備在溫度－5℃以上、風(fēng)速為3 m/s以下、雨凇條件下的融冰保線能力。根據(jù)興側(cè)接地極線路經(jīng)過(guò)地區(qū)的長(zhǎng)期冬季天氣情況，在非極端天氣條件下興安直流興側(cè)接地極可以保證安全運(yùn)行。

2)在直流系統(tǒng)接地極引線融冰作業(yè)時(shí)，極性選擇方面建議使用負(fù)極性電流入地;在接線方式選擇上，建議小電流保線作業(yè)時(shí)使用雙極不平衡運(yùn)行方式;在需要大電流進(jìn)行融冰作業(yè)時(shí)，使用單級(jí)大地回線方式;在融冰電流大小和融冰時(shí)間的選擇上，若線路覆冰發(fā)展速度較快，建議在覆冰4 mm時(shí)立即申請(qǐng)融冰作業(yè)，融冰時(shí)間建議為2 h以上。

［1］浙江大學(xué)發(fā)電教研組直流輸電科研組．直流輸電［M］．北京:電力工業(yè)出版社，1982．HVDC＆FACTS group of Zhejiang University power generating department．DC transmission［M］．Beijing:Electric Power Industry Press，1982．

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［3］吳端華，何東．輸電線路直流融冰的臨界電流和融冰時(shí)間分析［J］．電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，22(5):2，86．WU Duanhua，HE Dong．Analysis on critical current and ice-melting time by DC on transmission line［J］．Proceedings of the CSUEPSA，2010，22(5):2，86．

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